Resumo: O monitoramento da integridade estrutural (SHM) de sistemas mecânicos trata-se de uma tecnologia emergente que combina modernos sensores com inteligentes algoritmos computacionais para analisar a condição da estrutura em tempo real ou quando for necessário. Segurança, alto desempenho em operação e redução nos custos de manutenção são alguns dos principais benefícios concedidos pela tecnologia SHM. Deste modo, esta tecnologia vem encontrando aceitação crescente na indústria, principalmente na aeronáutica e petrolífera onde os custos de manutenção são muito elevados. Dentre as técnicas de monitoramento desenvolvidas, a dos observadores de estado se destacou. No entanto, esta técnica SHM possui algumas restrições que motivam o interesse pelo desenvolvimento de uma nova abordagem para a mesma. Neste contexto, este trabalho alia os já conhecidos observadores de estado com as características do domínio modal a fim de determinar o modo de vibrar mais afetado pela presença de um dano qualquer no sistema monitorado. A partir do conhecimento desta informação é possível projetar, por exemplo, sistemas de controle e manutenção mais eficientes. Contudo, nesta dissertação são apresentadas aplicações numéricas e experimentais em diferentes sistemas mecânicos a fim de detalhar e demonstrar a técnica SHM via Observador de Estado Modal, inicialmente proposta aqui. Algumas destas aplicações contam ainda com sensores e atuadores piezelétricos acoplados as estruturas. Os resultados encontrados mostram pontos favoráveis e desfavoráveis da técnica proposta / Abstract: Structural Health Monitoring (SHM) is an emerging technology that combines modern sensors with intelligent algorithms to analyze the structural condition in real time or specific time. Security, high operation performance and maintenance reduction costs are some of the key benefits provided by this technology. Not surprisingly, the SHM techniques have recently received increased attention in aircraft and oil industries. Among the developed SHM techniques, state observers had special attention. However, this technique presents some restrictions that motivate the development of a new SHM approach through state observers. In this context, this work associates the already known state observers with features obtained in the modal domain to determine the vibration modes that are more affected by damage presence in the monitored structure. That information makes possible the design of efficient maintenance and control systems. In order to analyze the Modal State Observer technique, firstly presented here, numerical and experimental applications in different mechanical systems are presented. In some applications are used sensors and piezoelectric actuators coupled in the structures. The results lead to the conclusion that the Modal State Observer is a potential useful SHM tool / Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Coorientador: Vicente Lopes Junior / Banca: Luiz de Paula do Nascimento / Banca: Valder Steffen Junior / Mestre

O objetivo deste trabalho é analisar materiais piezelétricos compósitos com conectividade 1-3 e 2-2 para aplicações em transdutores de ultra-som na faixa de MHz utilizando modelos matemáticos e verificações experimentais. O estudo de um material piezelétrico compósito pode ser feito através de seus três principais tipos de modos de vibração: modo planar, modo de espessura e modo lateral. Neste trabalho, é utilizado o método dos elementos finitos para modelar os modos planares, de espessura e laterais de um compósito, e modelos analíticos para modelar o modo de espessura e o modo lateral. A modelagem do modo de espessura de um transdutor de ultra-som é feita a partir de um modelo analítico unidimensional. A modelagem unidimensional de um transdutor de ultra-som é feita através do cálculo das propriedades efetivas do material piezelétrico compósito. Essas propriedades são utilizadas no modelo da matriz distribuída para prever a impedância elétrica de um compósito e a resposta impulsiva de um transdutor de ultra-som. Com o objetivo de validar os modelos, foram construídos um material piezelétrico compósito com conectividade 1-3 e outro com conectividade 2-2 através da técnica “dice-and-fill”, utilizando cerâmica de PZT-5A e resina epóxi. O compósito com conectividade 1-3 foi utilizado na construção de um transdutor de ultra-som. Os resultados teóricos da impedância elétrica e da resposta impulsiva são comparados com os obtidos experimentalmente. A impedância elétrica experimental é obtida através de um analisador de impedâncias, enquanto que a resposta impulsiva experimental do eco do transdutor é medida acoplando o protótipo do transdutor a um tarugo de acrílico. Devido à periodicidade do compósito foi feito um estudo teórico da propagação de ondas mecânicas em meios periódicos, mostrando que existem determinadas faixas de freqüências que não se propagam no material. Foi verificado que esta periodicidade é responsável pela diminuição das amplitudes dos modos radiais de um material piezelétrico compósito quando comparados com os modos radiais de um disco de cerâmica piezelétrica. Também foram feitos ensaios em tanque de imersão para determinar as propriedades mecânicas de amostras de epóxi e amostras de tungstênio e epóxi em função da fração de volume de tungstênio na amostra. / The objective of this work is to analyze piezoelectric composite materials with 1-3 and 2-2 connectivity for applications in ultrasonic transducers in the megahertz frequency range. The analysis is done through mathematical models and experimental validation. The analysis of piezoelectric composite materials can be done through the study of its three main vibrational modes: planar mode, thickness mode, and the lateral mode. In this work, it is used the Finite Element Method to model the planar, thickness and the lateral modes of the composite, and it is used analytical models to model the thickness and the lateral modes. The modeling of the thickness mode of an ultrasonic transducer is obtained through an unidimensional analytical model. The unidimensional modeling of the transducer is done by calculating the effective properties of the piezoelectric composite material. The effective properties are used in a distributed matrix model to calculate the electrical impedance of the composite and the impulse response of an ultrasonic transducer. To validate the models, a 1-3 and a 2-2 piezoelectric composite were built using the “dice-and-fill” technique. These composite were constructed using a piezoelectric ceramic of PZT-5A and epoxy. The piezoelectric composite with 1-3 connectivity was used in the fabrication of an ultrasonic transducer. The theoretical results of the electrical impedance and the impulse response are compared with the experimental results. The experimental electrical impedance is measured by using an impedance analyzer, and the experimental impulse response is measured by coupling the ultrasonic transducer prototype to an acrylic block. Due to the periodicity of the composite, it was analyzed the behaviour of mechanical waves in periodic media, showing that there are frequency ranges that the waves cannot propagate. It was verified that the periodicity is responsible for the suppression of the radial modes in a piezoelectric composite when compared with the radial modes of a disk of piezoelectric ceramic. It is also conducted measurements in a water filled tank to determine the mechanical properties of samples of epoxy, and Tungsten/epoxy composites as a function of the volume fraction of Tungsten.

Um material piezocompósito é resultante da combinação de um material piezelétrico com outros materiais não-piezelétricos, oferecendo vantagens substanciais em relação aos materiais piezelétricos convencionais. Diferentes propriedades efetivas podem ser obtidas alterando-se a fração de volume dos constituintes ou a própria topologia da célula unitária do piezocompósito. Materiais com Gradação Funcional (MGF) são materiais compósitos avançados, projetados de tal forma que sua composição varie gradualmente numa direção espacial. A vantagem do conceito MGF é não apresentar interface convencional entre os materiais da inclusão e da matriz, reduzindo assim um problema comum em materiais compósitos laminados, como por exemplo, o surgimento de concentração de tensões mecânicas. O Método de Otimização Topológica (MOT) é uma técnica computacional utilizada para se determinar a distribuição de materiais em uma estrutura ou material de forma sistemática, a fim de se extremizar uma determinada função objetivo. Assim, esse trabalho propõe uma metodologia sistemática e genérica para o projeto de materiais piezocompósitos com gradação funcional (MPGF) utilizando o MOT, tanto para aplicações quasi-estáticas, quanto para aplicações dinâmicas. Dessa forma, divide-se o projeto de materiais piezocompósitos em três grupos. O primeiro grupo consiste em um método de projeto de materiais baseado na combinação do método de homogeneização com o MOT para o projeto de MPGF para aplicações quasi-estáticas, onde o objetivo é projetar materiais piezocompósitos que, de modo geral, maximizem a conversão de energia mecânica em elétrica. A aplicação utilizada como exemplo neste trabalho são materiais empregados em dispositivos de coleta de energia. O segundo grupo visa aplicações dinâmicas de materiais piezocompósitos fonônicos, onde a propriedade de interesse é a possibilidade de se ter faixas de frequência, mais conhecidas por band gaps, nas quais ondas elásticas não se propagam. Assim, neste estudo visa-se o projeto de MPGF fonônicos com largura e posição de band gaps prescritos, empregando estruturas unidimensionais, e a maximização de diversos band gaps, empregando estruturas bidimensionais. O terceiro grupo explora o conceito de gradação geométrica, baseado em repetições de padrão ao longo do domínio de projeto, porém cada repetição tem um ou mais comprimentos modificados, de forma gradual. Dessa forma, suas propriedades alteram-se progressivamente ao longo da estrutura, embora a distribuição de materiais seja discreta, contornando assim possíveis dificuldades de manufatura. Esta abordagem é empregada visando à aplicação na coleta de energia, onde se procura maximizar a potência elétrica gerada em um resistor acoplado aos eletrodos, através da obtenção da topologia otimizada de estruturas piezocompósitas. Exemplos numéricos são apresentados de forma a ilustrar as metodologias de projeto propostas, bem como, analisar a influência dos parâmetros de otimização nos resultados. / Piezocomposite materials result from the combination of a piezoelectric material with other non-piezoelectric materials, offering advantages over conventional piezoelectric materials. Different effective properties can be obtained by changing the volume fraction of constituent materials, the shape of inclusions, or even the topology of the unit cell. Functionally Graded Materials (FGM) are composite materials, which are designed so that its composition varies gradually in space. One of the advantages of FGMs is that there is no conventional interface between the constituent materials, which reduces, for instance, microscopic stress concentration problems in composite materials. Topology Optimization Method (TOM) is a computational technique used to determine the material distribution of a structure or material in a systematic way, in order to maximize a determined objective function. Thus, this study proposes a generic and systematic methodology to design Functionally Graded Piezocomposites Materials (FGPM) using TOM, for quasi-static and dynamic applications. The study is divided into three groups. The first group combines the homogenization method with TOM in order to design FGPM for quasi-static applications, where the goal is to maximize the conversion of mechanical energy into electrical energy. The application used as an example in this study focuses materials used in energy harvesting devices. The second group focuses on dynamic applications of phononic piezocomposite materials, where the property of interest is the possibility of having frequency band gaps, in which elastic waves do not propagate. This study aims to design phononic FGPM with prescribed band gap width using one-dimensional model, and to design phononic FGPM with maximized band gaps using two-dimensional model. The third group investigates the pattern gradation concept, based on pattern repetitions over the design domain, but each pattern has one or more dimensions gradually modified. Thus, properties change gradually along the structure, although the material distribution keeps in the discrete form, thereby circumventing potential manufacturing difficulties. The objective function consists of maximizing the electric power generated in a load resistor. A projection scheme is employed to compute the element densities from design variables and control the length scale of the material density. Numerical examples are presented and discussed using the proposed methods.

Orientador: Ioshiaki Doi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-26T04:10:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Moreira_MilenadeAlbuquerque_D.pdf: 14247893 bytes, checksum: d1c3fea8288827b46285a590dc311de4 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Os requisitos do mercado consumidor de dispositivos de alta frequência têm sido cada vez mais exigentes nas últimas décadas. Assim, é necessária uma melhoria contínua no desempenho dos dispositivos a fim de atender a estes requisitos. Numa visão macro, alterações no desenho dos dispositivos podem resultar em melhoria de desempenho. Em uma visão micro, as propriedades físicas dos materiais que compõem os dispositivos têm uma forte influência no desempenho final dos mesmos. No caso de dispositivos de alta frequência baseados em materiais piezoelétricos, uma forma natural de melhorar o seu desempenho é através da melhoria das propriedades da camada piezoelétrica. O material piezoelétrico estudado neste trabalho é o Nitreto de Alumínio (AlN), o qual destaca-se entre outros materiais piezoelétricos devido à sua combinação única de propriedades. Esta tese apresenta o resultado de estudos experimentais na síntese de filmes finos de AlN tendo em vista aplicações em altas frequências, microeletrônica e sensores. O principal objetivo desta tese é a melhoria nas propriedades funcionais do AlN para melhor atender aos requisitos das aplicações em questão. Isto é obtido através do controle cuidadoso da estrutura, textura cristalográfica e composição do filme. As propriedades piezoelétricas dos filmes de AlN foram melhoradas através da dopagem dos filmes com Sc. Amostras com diferentes concentrações de Sc foram fabricadas e analisadas, e o valor do coeficiente de acoplamento eletromagnético (kt2) foi duplicado ao adicionar 15 % de Sc aos filmes de AlN. O aumento no valor de kt2 é desejável uma vez que pode diminuir as restrições no projeto de dispositivos de alta frequência. Neste trabalho é proposta também uma nova configuração experimental com o objetivo de obter um melhor controle na deposição de filmes de AlN inclinados no eixo-c. Filmes com uniformidade em espessura e inclinação foram obtidos ao utilizar-se a referida configuração experimental. Filmes com tais características são aplicáveis em sensores baseados em dispositivos eletroacústicos operando em meio líquido/viscoso. Foram também realizados estudos com o objetivo de obter filmes de AlN orientados no eixo-c e depositados diretamente sobre substratos de Si e a temperaturas reduzidas. A técnica de deposição utilizada foi HiPIMS e os resultados indicam melhorias significativas na textura dos filmes quando comparados com o processo de deposição convencional por corrente-direta pulsada / Abstract: The requirements of the consumer market on high frequency devices have been more and more demanding over the last decades. Thus, a continuing enhancement of the devices¿ performance is required in order to meet these demands. In a macro view, changing the design of the device can result in an improvement of its performance. In a micro view, the physical properties of the device materials have a strong influence on its final performance. In the case of high frequency devices based on piezoelectric materials, a natural way to improve their performance is through the improvement of the properties of the piezoelectric layer. The piezoelectric material studied in this work is AlN, which is an outstanding material among other piezoelectric materials due to its unique combination of material properties. This thesis presents results from experimental studies on the synthesis of AlN thin films in view of telecom, microelectronic and sensor applications. The main objective of the thesis is to custom design the functional properties of AlN to best suit these for the specific application in mind. This is achieved through careful control of the crystallographic structure and texture as well as film composition. The piezoelectric properties of AlN films were enhanced by doping with Sc. Films with different Sc concentrations were fabricated and analyzed, and the coupling coefficient (kt2) was enhanced a factor of two by adding 15 % of Sc to the AlN films. The enhancement of kt2 is of interest since it can contribute to a more relaxed design of high frequency devices. Further, in order to obtain better deposition control of c-axis tilted AlN films, a new experimental setup were proposed. When this novel setup was used, films with well-defined thicknesses and tilt uniformity were achieved. Films with such characteristics are very favorable to use in sensors based on electroacoustic devices operating in viscous media. Studies were also performed in order to obtain c-axis oriented AlN films deposited directly on Si substrates at reduced temperatures. The deposition technique used was HiPIMS, and the results indicated significant improvements in the film texture when comparing to the conventional Pulsed DC deposition process / Doutorado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Doutora em Engenharia Elétrica

Orientador: Alberto Luiz Serpa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-18T13:10:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TinocoNavarro_HectorAndres_M.pdf: 12075431 bytes, checksum: cab5c2f419dac7a4f94391f21804ed8d (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Neste trabalho foi desenvolvido um estudo numérico e experimental com o objetivo de compreender os efeitos da descolagem nos sinais elétricos obtidos por meio de sensores piezelétricos. Na análise numérica, os deslocamentos do sistema acoplado estrutura-adesivosensor foram representados em equações diferenciais para os casos estático e dinâmico. Os sinais elétricos emitidos pelos sensores foram determinados pelos deslocamentos para diferentes parâmetros geométricos da interface adesiva. Os resultados numéricos mostram que as propriedades geométricas da interface adesiva modificam as condições de deformação entre o sensor e a estrutura. Também, foi proposto um sensor com três eletrodos com o qual foram estabelecidas relações de força. As relações de força mostraram que as propriedades do adesivo podem diminuir as forças nos extremos do sensor e assim evitar descolagem. As simulações de descolagem do sensor foram realizadas com o aplicativo computacional COMSOL. As soluções numéricas dinâmicas indicaram que um sensor descolado gera menor potência elétrica que um sensor completamente colado. Isto foi comprovado experimentalmente em três casos e os resultados experimentais concordaram com os resultados teóricos. Este estudo demonstrou que a descolagem parcial não pode ser considerada uma falha de adesão, já que o sensor pode emitir sinais elétricos quando o sensor está descolado. Também foi demonstrado que a descolagem afeta o rendimento elétrico dos sensores / Abstract: In this investigation it was developed a numerical and experimental study with the aim to understand the debonding effects on electrical signatures obtained by means of piezoelectric sensors. In the numerical analysis, the displacements of the coupled system structure-adhesivesensor were represented by differential equations for static and dynamic cases. Electrical signatures emitted by sensors were determined through the displacements for different geometric parameters of the adhesive interface. Numerical results show that geometric properties of the adhesive interface modify the deformation conditions between the sensor and the structure. Also, a sensor was proposed with three electrodes in which were established force relations between each electrode. Force relations shown that the properties of adhesive can diminish the forces in the end of the sensor avoiding debonding. Simulations of debonding of the sensor were carried out with COMSOL software. Dynamic numerical solutions indicate that debonded sensor generates electric power lower than a sensor completely bonded. This was proved experimentaly in three cases and the experimental results presented good agreement. This study demonstrated that the partial debonding cannot be considered as a fail by adhesion, since the sensor can emit electrical signatures when it is partially debonded. Also it was demonstrated that the debonding of the sensor affects electric performance / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

This thesis deals with the generating electrical energy from vibrations from piezoelectric composite cantilever beam. A review of the piezoelectric materials is made. Then the analytical model of piezoelectric cantilever beam is presented, then the influence of parameters is inves-tigated. Case study with theoretic design of parameters on the specific source of vibration is also provided. Last part is the extension of model for the variable width of layers at cantilever

Vibration Assisted Machining (VAM) refers to a non-conventional machining process where high-frequency micro-scale vibrations are deliberately superimposed on the motion of the cutting tool during the machining process. The periodic separation of the tool and workpiece material, as a result of the added vibrations, leads to numerous advantages such as reduced machining forces, reduction of damages to the material, extended tool life, and enabling the machining of brittle materials. Vibration Assisted Drilling (VAD) is the application of VAM in drilling processes. The added vibrations in the VAD process are usually generated by incorporating piezoelectric transducers in the structure of the toolholder. In order to increase the benefits of the added vibrations on the machining quality, the structural dynamics of the VAD toolholder and its coupling with the dynamics of the piezoelectric transducer must be optimized to maximize the portion of the electrical energy that is converted to mechanical vibrations at the cutting edge of the drilling tool. The overall dynamic performance of the VAD system depends of the dynamics of its individual components including the drill bit, concentrator, piezoelectric transducer, and back mass. In this thesis, a substructure coupling analysis platform is developed to study the structural dynamics of the VAD system when adjustments are made to its individual components. In addition, the stiffness and damping in the joints between the components of the VAD toolholder are modelled and their parameters are identified experimentally. The developed substructure coupling analysis method is used for structural modification of the VAD system after it is manufactured. The proposed structural modification approach can be used to fine-tune the dynamics of the VAD system to maximize its dynamic performance under various operational conditions. The accuracy of the presented substructure coupling method in modeling the dynamics of the VAD system and the effectiveness of the proposed structural modification method are verified using numerical and experimental case studies. / Graduate

Piezoelectric materials have had widespread application since their discovery both in bulk crystal and thin film applications, but thin film piezoelectrics have unlocked key applications like acoustic filtering and energy harvesting. [1] This work investigates a small subset including energy harvesting, multifunctional nanocomposites, acoustic wave resonators, and gravimetric and infrared sensing. Electroactive polymers such as PVDF-TrFE have a unique combination of characteristics including a high dielectric constant, piezoelectricity, pyroelectricity, biocompatibility, and mechanical flexibility. [2, 3, 4, 5, 6] This unique combination gives them a wide potential application space including energy harvesting, biomedical devices, drug delivery, flexible electronics, and tactile sensing. [7] In recent years, there has been significant work investigating potential composite materials based on electroactive polymers and nanoparticles. [8] This interest has been primarily driven by the increased commercial availability, tunability, and available functionalities of nanoparticles. In this work, nanocomposites of PVDF-TrFE, barium titanate (BTO), and europium barium titanate (EBTO) are investigated. EBTO is an optically active material which can add optical functionality to these active polymer composites. [9] Acoustic wave resonators including bulk acoustic wave resonators and surface acoutstic wave resonators are widely used for front end filtering technologies, but their high quality factor, small size, and low power makes them good candidates for sensing technologies. [10, 11, 12] In this work, FBARs are applied to VOC sensing and infrared sensing sucessfully.

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The three-dimensional linear theory of piezo-elasticity is used to analyse steady state vibrations of a simply supported rectangular laminated composite plate with piezoelectric (PZT) actuator and sensor patches either embedded in it or bonded to the its surfaces. It is assumed that different layers are perfectly bonded to each other. The method of Fourier series is used to find an analytical solution of the problem. The analytical solution is then applied to study the shape control of a steadily vibrating composite plate by exciting different regions of a PZT actuator. Numerical results for a thin and a thick plate containing one embedded actuator layer and one embedded sensor layer are presented. For the former case, the optimum location of the centroid of the excited rectangular region that will require minimum voltage to control the out-of-plane displacements is determined. Keeping the location of the centroid and the shape of the excited region fixed, we ascertain the voltage required as a function of the length of its diagonal to nullify the deflections of the plate. The maximum shear stress at the interface between the sensor and the lamina is found to be lower than that between the actuator and the lamina. The point of maximum output voltage from the sensor coincides with that of its peak out-of-plane displacement. The variations of displacement and stress components through the thickness for the thin and thick plates are similar. The transient finite deformations of a neo-Hookean beam or plate with PZT patches bonded to its upper and lower surfaces are simulated by the finite element method. The constitutive relation for the piezoelectric material is taken to be linear in the Green-Lagrange strain tensor but quadratic in the driving voltage. A code using 8-noded brick elements has been developed and validated by comparing computed results with either analytical solutions or experimental observations. The code is then used to study flexural waves generated by PZT actuators and propagating through a cantilever beam both with and without a defect in it. The computed results are compared with test observations and with the published results for the linear elastic beam. The effects of both geometrical and material nonlinearities are discussed. A simple feedback control algorithm is shown to annul the motion of a neo-Hookean plate subjected to an impulsive load. / Ph. D.